JPH11264904A

JPH11264904A - プリズム型光学素子

Info

Publication number: JPH11264904A
Application number: JP10067439A
Authority: JP
Inventors: Mikio Okamoto; 幹夫岡本
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-03-17
Filing date: 1998-03-17
Publication date: 1999-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】紫外光に対して透過し、高いパワーの光でも
素子に損傷を与えず、しかもプリズムの面に撓みを生じ
ないこと。【解決手段】第１入射面12と第１入射面から入射した
光を反射および透過させるための第１プリズム透過光出
射面14と第１プリズム透過光出射面から反射した反射光
を出射するための第１反射光出射面16とを有する第１プ
リズム10と、第１プリズム透過光出射面から透過した光
を入射させる第２プリズム入射面32と第２プリズム入射
面から入射した光を出射させるための第２透過光出射面
34とを有する第２プリズム30とを具え、第１プリズム透
過光出射面と第２プリズム入射面とを第１間隙22を介し
て互いに平行に対向させて配置させてあり、第１間隙の
幅は、第１入射面への入射光の波長以下とすること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、プリズム型光学
素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のプリズム型光学素子としては、文
献（ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭＯＰＴＩＣＡＬＦＩＬＴＥ
ＲＳ、ＡＤＡＭＨＩＬＧＥＲＬＴＤ、１９６９、ｐ
ｐ．３０１〜３０３）に開示されたものがある。このプ
リズム型光学素子は、２つの直角プリズム、すなわち第
１プリズムと第２プリズムとを備えている。そして、第
１プリズムの第１プリズム透過光出射面と第２プリズム
の第２プリズム入射面同士を互いに平行に対向させて配
置させてある。また、第１プリズム透過光出射面に所望
の透過・反射特性を得るための複数の誘電体薄膜を形成
してある。

【０００３】また、第１プリズム側の誘電体薄膜の表面
と第２プリズム側の第２プリズム入射面同士を光学的に
透明な接着剤を用いて接着させてある。このような構成
にすることにより、例えば、第１プリズムの第１入射面
に対して垂直に入射させた入射光は、第１プリズム透過
光出射面と第２プリズム入射面との間で反射する反射光
と誘電体薄膜および接着剤を透過する透過光とに分離さ
れる。誘電体薄膜および接着剤を透過した光は、第２プ
リズムの第２透過光出射面から出射され、誘電体薄膜お
よび接着剤を反射した光は第１プリズムの第１反射光出
射面から出射する。このようにして、従来は、第１プリ
ズムに入射した入射光を反射光と透過光とに分離してい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
プリズム型光学素子は、第１プリズム側の誘電体薄膜の
上面と第２プリズム側の第２入射面との面同士を透明な
接着剤により接着させているため、以下のような問題が
ある。

【０００５】紫外光の波長（４００ｎｍ）以下で紫外
光が透過する接着剤は、現在存在せず紫外光に対しては
接着剤が使用できない。

【０００６】接着剤を使用しているため、パワーの強
いレーザ光などを使用した場合、レーザ光により接着剤
が損傷してしまう。

【０００７】光学系に使用する接着剤は、製造工程で
硬化させる際あるいは光パワーの強い光を受けると収縮
を起こすので、接着剤が塗布された第１および第２プリ
ズムの平面が撓んでしまう。

【０００８】そこで、紫外光でも使用でき、パワーの強
いレーザ光にも使用でき、かつ第１および第２プリズム
の平面が変形しないプリズム型光学素子の出現が望まれ
ていた。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このため、第１の発明の
プリズム型光学素子によれば、第１入射面とこの第１入
射面から入射した光を反射および透過させるための第１
プリズム透過光出射面と第１プリズム透過光出射面から
反射した反射光を出射するための第１反射光出射面とを
有する第１プリズムと、第１プリズム透過光出射面から
透過した光を入射させる第２プリズム入射面と該第２プ
リズム入射面から入射した光を出射させるための第２透
過光出射面とを有する第２プリズムとを具え、第１プリ
ズム透過光出射面と第２プリズム入射面とを第１間隙を
介して互いに平行に対向させて配置させてあり、第１間
隙の幅は、第１入射面への入射光の波長以下とすること
を特徴とする。

【００１０】このように、この第１の発明では、第１プ
リズム透過光出射面と第２プリズム入射面との間に第１
間隔を設け、当該第１間隙の幅を入射光の波長以下にし
てある。このため、第１プリズムの第１入射面から入射
した入射光は、第１プリズムの第１プリズム透過出射面
で反射する反射光と、エバネッセント波のしみだしによ
り、第１プリズム透過光出射面から第１間隙に透過する
透過光とに分離される。

【００１１】また、この第１の発明では、第１プリズム
透過光出射面と第２プリズム入射面との間に従来のよう
な接着剤を介在させていない。従って、紫外光を透過さ
せることができ、また、レーザ光を使用しても第１およ
び第２プリズムに損傷を与えることがなく、さらに、第
１および第２プリズムの平面にも接着剤の収縮による撓
みを生じることがなくなる。従って、高精度を有する光
学素子を製作することが可能となる。

【００１２】また、第２の発明のプリズム型光学素子に
よれば、第１入射面とこの第１入射面から入射した光を
反射および透過させるための第１プリズム透過光出射面
とこの第１プリズム透過光出射面から反射した反射光を
出射するための第１反射光出射面とを有する第１プリズ
ムと、第１プリズム透過光出射面から透過した光を入射
させる第２プリズム入射面とこの第２プリズム入射面か
ら入射した光を出射させるための第２透過光出射面とを
有する第２プリズムとを具え、第１プリズム透過光出射
面および第２プリズム入射面の双方またはいずれか一方
の面に誘電体薄膜を設け、第１プリズム透過光出射面と
第２プリズム入射面との間に均一な厚さの第２間隙が形
成されるように第１プリズムと第２プリズムとを対向さ
せて配置し、第２間隙の幅は、第１入射面への入射光の
波長以下とすることを特徴とする。

【００１３】このような構成にすることにより、第１プ
リズムに入射した光は、第１プリズムの第１プリズム透
過光出射面と第２プリズムの第２プリズム入射面との間
で、両面に介在する誘電体薄膜および第２間隙における
干渉作用によって透過光と反射光とに分離される。透過
光は、第２プリズム入射面から第２プリズムに入射し、
第２透過光出射面から出射される。また、反射光は、第
１反射光出射面から出射される。

【００１４】このように、この発明では、従来のような
接着剤を使用せずに、入射光を透過光と反射光とに分離
することができる。

【００１５】この発明は、所望の透過・反射特性に応じ
て各種の誘電体薄膜に対して適用できる。すなわち、偏
光分離膜、振幅分割膜およびダイクロイック膜などは好
ましい適用例である。

【００１６】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、入射光と第１プリズム透過光出射面の法線との入射
角度θを下記（１）式の関係を満たす角度とするのが良
い。

【００１７】ｎ×ｓｉｎθ≧ｎ₀・・・（１）但し、ｎは第１プリズムまたは第２プリズムの屈折率と
し、ｎ₀ は気体の屈折率とする。

【００１８】このような構成にすることにより、左辺が
気体の屈折率ｎ₀よりも大きくなるように第１および第
に２プリズムの屈折率ｎと入射角度θとを設定すれば、
全反射条件を満たしているが、エバネッセント波のしみ
だしにより、入射光の透過光分を第２プリズムへ透過さ
せることが出来る。このため、入射光を反射光と透過光
とに分離することが可能となる。

【００１９】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、入射光に対して第１および第２間隙を１０ｎｍ〜２
μｍの範囲とするのが良い。

【００２０】このように、第１プリズム透過光出射面と
第２プリズム入射面との第１間隙および第２間隔を１０
ｎｍ〜２μｍの範囲にしてある。このため、入射光とし
て、紫外光、可視光および赤外光を使用することが可能
となる。よって、紫外光、可視光あるいは赤外光の内の
いずれか一つの光を使用する場合は、その光の波長以下
になるように第１間隙および第２間隙を１０ｎｍ〜２μ
ｍの範囲から選べば良い。

【００２１】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は第１プリズム透過光出射面と第２プリズム入射面と間
に設けられた第１および第２間隙にスペーサを設けるの
が良い。

【００２２】このような構成にすることにより、スペー
サの厚さを任意に変えることにより、第１プリズム透過
光出射面と第２プリズム入射面との間あるいは薄膜と薄
膜との間の第１間隙または第２間隙の幅を精度良く調節
することができる。

【００２３】また、この発明の実施に当たり、好ましく
は、第１および第２プリズムを直角プリズムまたは４０
度プリズムとするのが良い。なお、ここで、４０度プリ
ズムとは、第１プリズムに対する入射光と第１透過光出
射面に対する法線との角度が４０度のプリズムをいう。

【００２４】このような第１および第２プリズムを用い
ることにより、第１入射面から入射した入射光を第１プ
リズム透過光出射面或いは誘電体薄膜部分で所望の反射
光と透過光とに分離することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図を参照して、この発明の
プリズム型光学素子、特に偏光ビームスプリッターの実
施の形態につき説明する。なお、図は、この発明が理解
できる程度に、各構成成分の大きさ、形状および配置関
係を概略的に示してあるにすぎず、従って、この発明
は、何ら図示例に限定されるものではない。

【００２６】まず、図１を参照して、この第１の発明お
よび第２の発明の偏光ビームスプリッターの構造につき
説明する。

【００２７】第１の発明は、第１プリズム１０と第２プ
リズム３０とを具えている。そして、第１プリズム１０
には、第１入射面１２、第１プリズム透過光出射面１４
および第１反射光出射面１６を有しており、第２プリズ
ム３０は、第２プリズム入射面３２および第２透過光出
射面３４を有している。

【００２８】また、第１プリズム透過光出射面１４と第
２プリズム入射面３２とを第１間隙２２を介して、互い
に平行に対向させて配置してある。また、第１間隙２２
の幅は、第１入射面の入射光の波長以下としてある。こ
こでは、入射光を紫外光、可視光および赤外光の波長領
域を有する光とする。なお、第１の発明の構成について
は、第１の実施の形態の例で詳細に述べる。

【００２９】第２の発明は、第１の発明と同じ第１プリ
ズム１０と第２プリズム３０とを使用している。また、
この第２の発明では、第１プリズム透過光出射面１４と
第２プリズム入射面３２の双方またはいずれか一方の面
に誘電体薄膜（図示せず）を設けている。なお、この発
明では、誘電体薄膜として、偏光分離膜を用いた例につ
き説明する。

【００３０】また、第１プリズム透過光出射面１４と第
２プリズム入射面３２との間に均一な厚さの第２間隙２
９が形成されるように、第１プリズム１０と第２プリズ
ム３０とを対向させて配置してある。さらに、第２間隙
２９は、第１入射面１２への入射光の波長以下としてあ
る。第２の発明の構成については、第２、第３、および
第４の実施の形態で詳細に述べる。なお、この第２の発
明では、第２間隙２９の幅を、（１）第１プリズム透過
光出射面１４に設けられた偏光分離膜の上面と第２プリ
ズム入射面３２との幅とする場合と、（２）第１プリズ
ム透過光出射面１４に設けられた偏光分離膜の上面と第
２プリズム入射面３２に設けられた偏光分離膜の上面と
の幅とする場合と、（３）第２プリズム入射面３２に設
けられた偏光分離膜の上面と第１プリズム透過光出射面
１４との幅とする場合の３通りの場合がある。

【００３１】この偏光ビームスプリッターを用いて入射
光ＩＬを反射光ＲＬと透過光ＴＬとに分離するには、入
射光ＩＬを第１入射面１２に直角となる方向から入射さ
せる。第１および第２プリズムは、直角プリズムを使用
しているので、入射光ＩＬと第１プリズム透過光出射面
１４に対する法線Ｈとの入射角度θは、４５度になる。
入射光ＩＬは、第１プリズム透過光出射面１４の誘電体
薄膜部分と第１間隙における干渉作用により反射光ＲＬ
と透過光ＴＬとに分離される。このとき、反射光ＲＬ
は、第１プリズムの第１反射光出射面１６より出射され
る。他方、透過光ＴＬは、第２プリズム入射面３２から
第２プリズム３０に入射して第２透過光出射面３４から
出射される。

【００３２】〔第１の実施の形態〕次に、図２を参照し
て、この発明の第１の実施の形態の振幅分割用ビームス
プリッターの主要構造につき説明する。なお、図２は、
第１の実施の形態の振幅分割用ビームスプリッターの構
造を説明するための素子の構造体を切断した切り口の断
面を示す図である。図中、図面を明確にするため断面を
表すハッチング線を省略してある。

【００３３】第１の実施の形態では、上述したように、
第１プリズム１０および第２プリズム３０を具えてい
る。そして、第１および第２プリズム１０および３０
は、石英の４５度プリズムを用いる。また、第１プリズ
ム透過光出射面１４と第２プリズム入射面３２との第１
間隙２２の幅は、ここでは４００ｎｍとする。また、入
射光の波長は１０６４ｎｍとする。

【００３４】第１の実施の形態では、入射光１０６４ｎ
ｍの波長に対して第１および第２プリズム１０および３
０の屈折率を１．４５とする。このとき、上述した
（１）式の左辺は、１．０２５となり、空気の屈折率１
を越えているので、全反射条件を満たしている。また、
第１間隙２２の幅ｄ（４００ｎｍ）が入射光の波長１０
６４ｎｍに比べて、十分短いので、エバネッセント波の
しみだしにより透過光は第２プリズム入射面３２に入射
され、第２プリズム入射面３２に入射した光は、第２プ
リズムを屈折して第２透過光出射面３４から出射され
る。

【００３５】次に、図３を参照して、第１の実施の形態
のビームスプリッターの透過率につき説明する。図３
は、第１の実施の形態のビームスプリッターの波長と透
過率との関係をプロットした図である。なお、図中、直
線Ｉは、第１間隙の幅を４００ｎｍとしたときの偏光平
均透過率であり、直線ＩＩは、第１間隙の幅を２００ｎ
ｍとしたときの偏光平均透過率である。なお、偏光平均
透過率とは、Ｐ偏光とＳ偏光とを加算して２で割り算し
たときの透過率をいう。

【００３６】図３から理解できるように、第１間隙２２
の幅を４００ｎｍとした場合、１０６４ｎｍの波長での
平均偏光透過率は、５０％となり、偏光平均反射率は、
５０％となる（図３の直線Ｉ）。このように、偏光分離
膜を各プリズムにコーテイングしなくとも入射光をエネ
ルギーで１対１の透過光と反射光とに分離することがで
きる。

【００３７】また、第１間隙２２の幅を２００ｎｍとす
るとき、１０６４ｎｍの波長での偏光平均透過率は、８
０％となり、偏光平均反射率は２０％となる（図３の直
線ＩＩ）。このように入射光をエネルギーで８対２の透
過光と反射光とに分離することができる。

【００３８】〔第２の実施の形態〕次に、図４を参照し
て、第２の実施の形態のプリズム型光学素子、特に、２
６６ｎｍの偏光ビームスプリッターの主要構造につき説
明する。なお、図４は、第２の実施の形態の偏光ビーム
スプリッターの主要構造を説明するために、図１に示す
構造体を切断した切り口の断面を示す図である。また、
図４では、図面を明確にするため断面を表すハッチング
線は省略してある。

【００３９】第２の実施の形態では、第１および第２プ
リズム１０および３０として、石英ガラスで出来た直角
プリズムを用いる。なお、この直角プリズムは、２６６
ｎｍの波長に対して１．５０の屈折率をもっている。第
１プリズム１０は、上述したように、第１入射面１２，
第１プリズム透過光出射面１４および第１反射光出射面
１６を有している。そして、第１プリズム透過光出射面
１４には、２つの偏光分離膜１８および２０を交互に設
けてある。ここでは、偏光分離膜１８および２０とし
て、ＨｆＯ₂膜とＳｉＯ₂膜とを用いる。ＨｆＯ₂膜１
８は、２６６ｎｍの波長に対して２．２５の屈折率を有
している。また、ＳｉＯ₂膜２０は、２６６ｎｍの波長
に対して１．４８の屈折率を有している。また、第１プ
リズム透過光出射面１４の面には、ＨｆＯ₂膜１８とＳ
ｉＯ₂膜２０とを交互にそれぞれ２層づつ設けてあり、
それぞれの膜厚を第１プリズム透過光出射面１４側から
順にＨｆＯ₂膜１８を３１ｎｍ、ＳｉＯ₂膜２０を６６
ｎｍ，ＨｆＯ₂膜１８を３１ｎｍおよびＨｆＯ₂膜１８
を２８ｎｍとする。

【００４０】第２プリズム３０も上述したように、第２
プリズム入射面３２および第２透過光出射面３４を有し
ている。また、第２プリズム入射面３２にも２層のＨｆ
Ｏ₂膜１８とＳｉＯ₂膜２０とを交互に設けてあり、こ
こではＨｆＯ₂膜１８を４層、ＨｆＯ₂膜とＳｉＯ₂膜
を５層設けてある。そして、この例では、第２プリズム
入射面３２にＳｉＯ₂膜２０を設け、続いてＨｆＯ₂膜
１８を設けて、ＨｆＯ₂膜１８とＳｉＯ₂膜２０とを交
互に積層してある。それぞれの光学的な膜厚を、第２プ
リズム入射面３２から順に、ＳｉＯ₂膜２０を７９ｎ
ｍ、ＨｆＯ₂膜１８を５２ｎｍ、ＳｉＯ₂膜２０を１１
１ｎｍ，ＨｆＯ₂膜１８を２６ｎｍ、ＳｉＯ₂膜２０を
７２ｎｍ、ＨｆＯ₂膜１８を３０ｎｍ，ＳｉＯ₂膜２０
を６８ｎｍ，ＨｆＯ₂膜１８を３１ｎｍ，ＳｉＯ₂膜２
０を２８ｎｍとする。

【００４１】また、第１プリズム透過光出射面１４側の
ＳｉＯ₂膜２０と第２プリズム入射面３２側のＳｉＯ₂
膜２０との第２間隙の幅ｄを９０ｎｍとしてある。ま
た、この第２間隙２９には、空気が満たされている。

【００４２】このような偏光ビームスプリッターを用い
たとき、波長に対する透過率を計算により求めた結果を
図５に示す。透過率を求めるには、周知の計算方法であ
る四端子行列法を用いて計算した。

【００４３】図５より理解できるように、２６６ｎｍの
波長において、Ｐ偏光は、９８％以上の透過率を示し
（図５の曲線Ｉ）、Ｓ偏光では、透過率１％以下、すな
わち反射率は９９％以上となる（図５の曲線ＩＩ）。こ
のように、第１入射面に入射光を入射させると、偏光の
方向により透過光と反射光とを分離する偏光ビームスプ
リッターとなる。

【００４４】また、第１および第２プリズムを使用した
場合、入射光に対する全反射条件の式として、下記の
（１）式を用いる。

【００４５】ｎ×ｓｉｎθ≧ｎ₀ …（１）但し、ｎは、第１および第２プリズムの屈折率とし、θ
は、入射光と第１プリズム透過光出射面に対する法線と
の入射角度とし、ｎ₀は気体の屈折率とする。なお、第
１の実施の形態では、気体として、空気を用いる。

【００４６】（１）式にｎとθとを代入すると、第１お
よび第プリズムの屈折率は１．５０、入射角は４５度で
あるから１．５０×ｓｉｎ４５°＝１．５０×１／√２
≒１．０６となる。従って、空気の屈折率ｎ₀は、１で
あるから（１）式を満たしている。このため、全反射条
件を満たしているが、第２間隙２９の幅を９０ｎｍに設
定してあるので、２６６ｎｍの入射光の波長に比べて十
分に短い。このため、エバネッセント波のしみだしによ
り透過光は、第２プリズム３０側へ透過する。

【００４７】〔第３の実施の形態〕次に、図６を参照し
て、第３の実施の形態の偏光ビームスプリッターの主要
構成につき説明する。図６は、第３の実施の形態の偏光
ビームスプリッターの主要構造を説明するため、素子の
構造体を切断したときの切り口の断面を示す図である。
なお、図中には、図面を明確にするため断面を表すハッ
チング線は省略してある。

【００４８】第３の実施の形態では、第１プリズム４０
と第２プリズム６０を石英で形成された４０度プリズム
を用いる。ここで、４０度プリズムとは、入射光と第１
プリズム透過光出射面４４の法線Ｈとの入射角度θが４
０度のプリズムをいう。

【００４９】第１プリズム４０は、上述した第１の実施
の形態と同様に第１入射面４２、第１プリズム透過光出
射面４４および第１反射光出射面４６を有している。そ
して、第１プリズム透過光出射面４４に２つの偏光分離
膜４８および５０，すなわち、ＬａＦ₃膜４８とＭｇＦ
₂膜５０を交互に積層させてある。ここでは、ＬａＦ₃
膜４８を６層およびＭｇＦ₂膜５０を６層をそれぞれ交
互に積層させてある。なお、ＬａＦ₃膜４８とＭｇＦ₂
膜５０の光学的な膜厚は第１プリズム透過光出射面４４
から順にＬａＦ₃膜４８を３３ｎｍ、ＭｇＦ₂膜５０を
４４ｎｍ、ＬａＦ₃膜４８を３１ｎｍ，ＭｇＦ₂膜５０
を４４ｎｍ，ＬａＦ₃膜４８を３１ｎｍ、ＭｇＦ₂膜５
０を４５ｎｍ，ＬａＦ₃膜４８を３４ｎｍ，ＭｇＦ₂膜
５０を４８ｎｍ、ＬａＦ₃膜４８を３５ｎｍ、ＭｇＦ₂
膜５０を５０ｎｍ、ＬａＦ₃膜４８を４０ｎｍ、ＭｇＦ
₂膜５０を１０ｎｍとする。

【００５０】また、第２プリズム６０は、第２プリズム
入射面６２および第２透過光出射面６４を有している。

【００５１】この例では、１９３ｎｍに対する第１プリ
ズム４０および第２プリズム６０の屈折率を１．５６と
し、１９３ｎｍに対するＬａＦ₃膜４８の屈折率を１．
７０とし、１９３ｎｍに対するＭｇＦ₂膜５０の屈折率
を１．４４とする。また、第２プリズム入射面６２に
は、ＬａＦ₃膜４８とＭｇＦ₂膜５０とを交互に６層づ
つ積層させてある。また、ＬａＦ₃膜４８とＭｇＦ₂膜
５０の光学的な膜厚は、第２プリズム入射面から順に、
ＬａＦ₃膜４８を３３ｎｍ、ＭｇＦ₂膜５０を４４ｎ
ｍ，ＬａＦ₃膜４８を３１ｎｍ，ＭｇＦ₂膜５０を４４
ｎｍ，ＬａＦ₃膜４８を３１ｎｍ，ＭｇＦ₂膜５０を４
５ｎｍ，ＬａＦ₃膜４８を３４ｎｍ，ＭｇＦ₂膜５０を
４８ｎｍ，ＬａＦ₃膜４８を３５ｎｍ、ＭｇＦ₂膜５０
を５０ｎｍ、ＬａＦ₃膜４８を４０ｎｍ、ＭｇＦ₂膜５
０を１０ｎｍとする。

【００５２】また、第１プリズム透過光出射面４４と第
２プリズム入射面６２との第２隙間５２は、均一な厚さ
とする。ここでは、第２隙間５２の幅を例えば５０ｎｍ
とし、第２隙間５２を約１×１０^-1Ｐａ程度の真空で満
たしてある。

【００５３】次に、図７を参照して、第３の実施の形態
の偏光ビームスプリッタについて波長に対する透過率に
ついて説明する。なお、図７は、四端子行列法を用いて
透過率を計算して、波長と透過率との関係を表した図で
ある。

【００５４】図７からも理解できるように、１９３ｎｍ
の波長におけるＰ偏光は、９８％以上の透過率を示し
（図７の曲線Ｉ）、Ｓ偏光では、透過率１％以下、すな
わち反射率は９９％以上なる（図７の曲線ＩＩ）。

【００５５】このように、第１入射面に入射光を入射さ
せると、偏光方向により透過光と反射光とに分離する偏
光ビームスプリッターとなる。

【００５６】また、上述した（１）式の全反射条件の式
に第１および第２プリズムの屈折率（１．５６）と入射
角度θ（４０度）とを代入すると、左辺ｎ×ｓｉｎθの
値は、１．００３となり、真空の屈折率は１であるから
左辺はｎ₀を越えているので、全反射条件を満たしてい
る。ここでは、１９３ｎｍの波長よりも第２間隙５２の
幅（５０ｎｍ）を短くしてあるので、エバネッセント波
のしみだしにより透過光は、第２プリズムのＭｇＦ₂膜
５０に入射して第２透過光出射面６４から出射させるこ
とが可能となる。なお、１９３ｎｍの波長では、第２間
隙５２に空気を満たすと、光の吸収が発生するので、真
空或いは窒素ガスとするのが良い。窒素ガスを使用する
場合は９９Ｖｏｌ％の窒素ガスとするのが良い。

【００５７】〔第４の実施の形態〕次に、図８を参照し
て、この発明の第４の実施の形態の偏光ビームスプリッ
ターの主要構造につき説明する。図８は、第３の実施の
形態の偏光ビームスプリッターの主要構造を説明するた
めの素子の構造体を切断した切り口の断面を示す図であ
る。なお、ここでは、図面を明確にするために、断面を
表すハッチング線を省略してある。また、第４の実施の
形態では、入射光として１０６４ｎｍの赤外光を用い
る。

【００５８】第４の実施の形態では、第１および第２プ
リズムとして、上述した直角プリズムを用いる。従っ
て、プリズムを構成している各平面は第１の実施の形態
と同様である。この例では、第１プリズム１０の第１プ
リズム透過光出射面１４にのみ偏光分離膜２４および２
６を積層させてある。ここでは、偏光分離膜２４および
２６をＺｒＯ₂膜およびＳｉＯ₂膜とする。そして、１
０６４ｎｍの波長における第１プリズム１０および第２
プリズム３０の屈折率を１．４５とし、波長１０６４ｎ
ｍにおけるＺｒＯ₂膜２４の屈折率を１．８８とし、波
長１０６４ｎｍにおけるＳｉＯ₂膜２６の屈折率を１．
４６とする。

【００５９】また、この実施の形態では、ＺｒＯ₂膜２
４およびＳｉＯ₂膜２６を交互に１１層づつ積層させて
ある。そして、それぞれの光学的な膜厚は、第１プリズ
ム透過光出射面１４側から順にＺｒＯ₂膜２４を１２９
ｎｍ、ＳｉＯ₂膜２６を２０３ｎｍ、ＺｒＯ₂膜２４を
１０２ｎｍ、ＳｉＯ₂膜２６を２２８ｎｍ，ＺｒＯ₂膜
２４を１３９ｎｍ，ＳｉＯ₂膜２６を２２８ｎｍ、Ｚｒ
Ｏ₂膜２４を１３７ｎｍ、ＳｉＯ₂膜２６を２２８ｎ
ｍ、ＺｒＯ₂膜２４を１３９ｎｍ、ＳｉＯ₂膜２６を２
２８ｎｍ、ＺｒＯ₂膜２４を１３９ｎｍ，ＳｉＯ₂膜２
６を２２８ｎｍ、ＺｒＯ₂膜２４を１３９ｎｍ，ＳｉＯ
₂膜２６を２２８ｎｍ、ＺｒＯ₂膜２４を１３９ｎｍ，
ＳｉＯ₂膜２６を２２８ｎｍ、ＺｒＯ₂膜２４を１３９
ｎｍ，ＳｉＯ₂膜２６を２２８ｎｍ、ＺｒＯ₂膜２４を
１３９ｎｍ，ＳｉＯ₂膜２６を２２８ｎｍ、ＺｒＯ₂膜
２４を１５１ｎｍ，ＳｉＯ₂膜２６を２１８ｎｍとす
る。

【００６０】また、第１プリズム透過光出射面１４側に
設けられたＳｉＯ₂膜２６と第２プリズム入射面３２と
の第２間隙５３の幅を、例えば１５０ｎｍとする。ま
た、第２間隙５３には、空気が満たされている。

【００６１】図９を参照して、第４の実施の形態の偏光
ビームスプリッターについて透過光を四端子行列法を用
いて計算してプロットした結果につき説明する。なお、
図９は、第４の実施の形態の偏光ビームスプリッターに
ついて波長と透過率をプロットした図である。

【００６２】図９から理解できるように、１０６４ｎｍ
の波長におけるＰ偏光は、９８％以上の透過率を示し
（図９の曲線Ｉ）、Ｓ偏光では、透過率１％以下、すな
わち反射率は９９％以上となる（図９の曲線ＩＩ）。

【００６３】このように、第１入射面に入射した入射光
を偏光方向により透過光と反射光とに分離する偏光ビー
ムスプリッターを構成することが可能となる。

【００６４】また、上述した（１）式の全反射条件の式
に第１および第２プリズムの屈折率（１．４５）と入射
角度θ（４５度）とを代入すると、左辺ｎ×ｓｉｎθの
値は、１．０２５となり、空気の屈折率は１であるから
左辺は１を越えているので、全反射条件を満たしてい
る。ここでは、１０６４ｎｍの波長よりも第２間隙５３
の幅（１５０ｎｍ）を短くしてあるので、エバネッセン
ト波のしみだしにより透過光ＴＬは、第２プリズム入射
面３２に入射して第２透過光出射面３４から出射させる
ことが可能となる。

【００６５】第４の実施の形態では、偏光分離膜２４お
よび２６を第１プリズム透過光出射面１４に積層させた
例につき説明したが、同じ偏光分離膜、すなわちＺｒＯ
₂膜２４およびＳｉＯ₂膜２６を第２プリズムの第２プ
リズム入射面３２に形成しても良い。

【００６６】〔第５の実施の形態〕次に、図１０を参照
して、この発明の第５の実施の形態の振幅分割用ビーム
スプリッターの主要構造につき説明する。なお、図１０
は、第５の実施の形態の振幅分割用ビームスプリッター
の構造を説明するため素子構造体の平面図および素子構
造体をＸ−Ｘ線に沿って切断したときの切り口の断面を
示す図である。図中、図面を明確にするため断面を表す
ハッチング線の一部を省略してある。この第５の実施の
形態では、第１プリズムの第１プリズム透過光出射面１
４と第２プリズムの第２プリズム入射面３２との第１間
隙２２中に、スペーサ５４を設けてある。その他の構成
は、第４の実施の形態と同様である。

【００６７】この第５の実施の形態では、３個のスペー
サ５４を設けてあり、このスペーサ５４を例えばＳｉＯ
₂ 膜で形成する。

【００６８】このように、スペーサ５４を第１間隙２２
に設けることにより、第１プリズム透過光出射面１４と
第２プリズム入射面３２との幅ｄを高精度に形成するこ
とができる。

【００６９】また、上述した第１から第４の実施の形態
では、従来のような接着剤を使用していないため、パワ
ーの強いＹＡＧレーザ等を使用してもプリズム型光学素
子に損傷を与えることがない。また、従来使用できなか
った紫外光も透過するため、紫外光領域でも使用できる
という利点がある。また、接着剤を使用しないため、当
該接着剤の収縮により生じる第１プリズムの第１プリズ
ム透過光出射面および第２プリズムの第２プリズム入射
面に撓みを生じることはなくなる。

【００７０】上述した第２、第３及び第４実施の形態で
は、誘電体薄膜として、偏光分離膜を用いた例につき説
明したが、偏光分離膜の代わりに、振幅分割膜またはダ
イクロイック膜を用いることもできる。

【００７１】また、上述した第５の実施の形態では、ス
ペーサを第１の実施の形態の振幅分割用ビームスプリッ
ターにのみ適用した例につき説明したが、何らこれに限
定されるものではなく、第２から第４の実施の形態の波
長用偏光ビームスプリッターに適用しても良い。

【００７２】また、第１から第５の実施の形態例では、
入射波長を特定の赤外光及び紫外光を使用した例につき
説明したが、この波長に限定されるものではなく任意の
紫外光、可視光および赤外光を用いることができる。そ
の場合は、それぞれの光に応じて第１間隙の幅を以下の
ように設定する。

【００７３】紫外線を使用する場合は、第１間隙２２の
幅ｄを１０ｎｍ＜ｄ≦４００ｎｍとし、可視光を使用す
る場合は、第１間隙２２の幅を１０ｎｍ＜ｄ≦７００ｎ
ｍとし、赤外光を使用する場合は、第１間隙２２の幅を
１０ｎｍ＜ｄ≦２μｍとするのが良い。

【００７４】

【発明の効果】上述した説明からも明らかなように、こ
の発明のプリズム型光学素子によれば、第１プリズムの
第１プリズム透過光出射面と第２プリズムの第２プリズ
ム入射面との第１間隙を介して互いに平行に対向させて
配置し、第１間隙の幅は、入射光の波長以下としてあ
る。また、第１プリズム透過光出射面および第２プリズ
ム入射面の双方またはいずれか一方の面に誘電体薄膜を
設け、第１プリズム透過光出射面と第２プリズム入射面
との間に均一な厚さの第２間隙が形成されるようにして
ある。

【００７５】このように、第１間隙および第２間隙を設
けて入射光を透過光と反射光とに分離出来るので、従来
のような接着剤が不要となる。このため、紫外光の波長
を透過させることができ、また、パワーの強いレーザ光
にも使用できる。さらに、第１および第２プリズムに撓
みを生じないので、高精度の光学素子を製作することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のプリズム型光学素子の主要構造を説
明するために供する断面図である。

【図２】この発明の第１の実施の形態のプリズム型光学
素子の構造を説明するために供する断面図である。

【図３】第１の実施の形態のプリズム型光学素子の波長
と偏光平均透過率との関係を示す図である。

【図４】この発明の第２の実施の形態のプリズム型光学
素子の構造を説明するために供する断面図である。

【図５】第２の実施の形態のプリズム型光学素子の波長
と透過率との関係を示す図である。

【図６】この発明の第３の実施の形態のプリズム型光学
素子の構造を説明するために供する断面図である。

【図７】第３の実施の形態のプリズム型光学素子の波長
と透過率との関係を示す図である。

【図８】この発明の第４の実施の形態のプリズム型光学
素子の構造を説明するために供する断面図である。

【図９】第４の実施の形態のプリズム型光学素子の波長
と透過率との関係を示す図である。

【図１０】（Ａ）〜（Ｂ）は、この発明の第５の実施の
形態のプリズム型光学素子の構造を説明するために供す
る平面図およびＸ−Ｘ断面図である。

【符号の説明】

１０、４０：第１プリズム１２、４２：第１入射面１４、４４；第１プリズム透過光出射面１６、４６：第１反射光出射面１８：ＨｆＯ₂ 膜２０：ＳｉＯ₂ 膜２２：第１間隙２４：ＺｒＯ₂ 膜２６：ＳｉＯ₂ 膜２９：第２間隙３０、６０：第２プリズム３２、６２：第２プリズム入射面３４、６４：第２透過光出射面４８：ＬａＦ₃ 膜５０：ＭｇＦ₂ 膜５２、５３：第２間隙５４：スペーサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１入射面と該第１入射面から入射した
光を反射および透過させるための第１プリズム透過光出
射面と該第１プリズム透過光出射面から反射した反射光
を出射するための第１反射光出射面とを有する第１プリ
ズムと、前記第１プリズム透過光出射面から透過した光を入射さ
せる第２プリズム入射面と該第２プリズム入射面から入
射した光を出射させるための第２透過光出射面とを有す
る第２プリズムとを具え、前記第１プリズム透過光出射面と前記第２プリズム入射
面とを第１間隙を介して互いに平行に対向させて配置さ
せてあり、前記第１間隙の幅は、前記第１入射面への入射光の波長
以下とすることを特徴とするプリズム型光学素子。
【請求項２】第１入射面と該第１入射面から入射した
光を反射および透過させるための第１プリズム透過光出
射面と該第１プリズム透過光出射面から反射した反射光
を出射するための第１反射光出射面とを有する第１プリ
ズムと、前記第１プリズム透過光出射面から透過した光を入射さ
せる第２プリズム入射面と該第２プリズム入射面から入
射した光を出射させるための第２透過光出射面とを有す
る第２プリズムとを具え、前記第１プリズム透過光出射面および前記第２プリズム
入射面の双方またはいずれか一方の面に誘電体薄膜を設
け、前記第１プリズム透過光出射面と前記第２プリズム入射
面との間に均一な厚さの第２間隙が形成されるように前
記第１プリズムと前記第２プリズムとを対向させて配置
し、前記第２間隙の幅は、前記第１入射面への入射光の波長
以下とすることを特徴とするプリズム型光学素子。
【請求項３】請求項２に記載のプリズム型光学素子に
おいて、前記誘電体薄膜を偏光分離膜とすることを特徴
とするプリズム型光学素子。
【請求項４】請求項１から３のいずれか１項に記載の
プリズム型光学素子において、前記入射光と前記第１プ
リズム透過光出射面の法線との入射角度θを下記（１）
式の関係を満たす角度とすることを特徴とするプリズム
型光学素子。ｎ×ｓｉｎθ≧ｎ₀・・・（１）但し、ｎは前記第１プリズムまたは第２プリズムの屈折
率とし、ｎ₀ は気体の屈折率とする。
【請求項５】請求項１から４のいずれか１項に記載の
プリズム型光学素子において、前記入射光に対して前記
第１および前記第２間隙を１０ｎｍ〜２μｍの範囲とす
ることを特徴とするプリズム型光学素子。
【請求項６】請求項１から５のいずれか１項に記載の
プリズム型光学素子において、前記第１または前記第２
間隙に気体を満たしてあることを特徴とするプリズム型
光学素子。
【請求項７】請求項１から６のいずれか１項に記載の
プリズム型光学素子において、前記第１および第２プリ
ズムを直角プリズムとすることを特徴とするプリズム型
光学素子。
【請求項８】請求項１から７のいずれか１項に記載の
プリズム型光学素子において、前記第１および第２プリ
ズムを４０度プリズムとすることを特徴とするプリズム
型光学素子。
【請求項９】請求項１から８のいずれか１項に記載の
プリズム型光学素子において、前記第１プリズム透過光
出射面と前記第２プリズム入射面との間に設けられた前
記第１間隙および第２間隙にスペーサを設けてあること
を特徴とするプリズム型光学素子。